基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)3D優(yōu)化方法，該方法通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中包括一個(gè)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)，進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)用作進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)；本發(fā)明首先為針對(duì)獨(dú)立航線的優(yōu)化問(wèn)題，提出了先水平方向再垂直方向的航路點(diǎn)概率搜索方法，通過(guò)負(fù)反饋因子控制水平信息素更新，實(shí)現(xiàn)了在終端空域3D空間的路徑搜索蟻群算法，分析得到進(jìn)離場(chǎng)航線的優(yōu)化次序原則，逐步優(yōu)化各航線，最終實(shí)現(xiàn)航線網(wǎng)絡(luò)的總體優(yōu)化；在保證航線安全性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，該算法不受航線數(shù)量影響，運(yùn)行效率明顯提高。
【專利說(shuō)明】基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空域規(guī)劃領(lǐng)域，特別涉及一種基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，應(yīng)用本方法可以優(yōu)化出滿足安全、經(jīng)濟(jì)等多目標(biāo)要求的自動(dòng)化進(jìn)離場(chǎng)航線。
【背景技術(shù)】
[0002]終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線及其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)系機(jī)場(chǎng)與航路的紐帶。結(jié)構(gòu)良好的航線網(wǎng)絡(luò)可以從根本上減少飛行沖突，縮短飛行里程，從而提高安全裕度，降低航空器運(yùn)行成本。目前，國(guó)內(nèi)終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線均采用人工設(shè)計(jì)方法，不但設(shè)計(jì)效率較低，且設(shè)計(jì)方案合理性缺乏科學(xué)驗(yàn)證，很難兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性等相互沖突的設(shè)計(jì)目標(biāo)。研究滿足安全、經(jīng)濟(jì)等多目標(biāo)要求的自動(dòng)化進(jìn)離場(chǎng)航線優(yōu)化方法具有非常重要的意義。
[0003]終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基礎(chǔ)是三維空間的路徑規(guī)劃問(wèn)題。雖然目前針對(duì)路徑規(guī)劃問(wèn)題取得一定的研究成果，主要方法包括VOTonoi圖，粒子群算法，A*算法，遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，進(jìn)化算法等。但是以往研究大多集中在二維空間路徑規(guī)劃方面，而三維的路徑規(guī)劃方法搜索空間大，且隨著航線優(yōu)化數(shù)量增多，運(yùn)行時(shí)間成指數(shù)增長(zhǎng)，運(yùn)行效率降低。
[0004]考慮到現(xiàn)有終端區(qū)空域條件現(xiàn)狀，尚缺少一種快速、有效、實(shí)用的進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有【技術(shù)領(lǐng)域】的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，該方法基于改進(jìn)蟻群算法來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求快速、有效的優(yōu)化出終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由客戶端/服務(wù)器(C/S)模式構(gòu)成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括空域?qū)Ш綌?shù)據(jù)庫(kù)、空域建模子系統(tǒng)、飛行計(jì)劃編制子系統(tǒng)和顯示與交互模塊，其特征在于，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還包括運(yùn)行在一個(gè)客戶端的進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)，用作終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)；
所述進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)包括可視圖模塊、獨(dú)立航線優(yōu)化模塊和航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊；
可視圖模塊是根據(jù)終端空域內(nèi)終端管制區(qū)、高大限制空域特征有效地劃分終端空域網(wǎng)格，建立可視圖模型；
獨(dú)立航線優(yōu)化模塊是應(yīng)用Dijstra算法構(gòu)建航線初始解，利用改進(jìn)蟻群算法優(yōu)化出滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)立航線；
航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊是在獨(dú)立航線優(yōu)化模塊基礎(chǔ)上，考慮航線交通流量與交叉航線垂直安全間隔，提出次序優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)終端區(qū)內(nèi)多條航線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；所述終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，包括如下步驟:
步驟1:在空域建模子系統(tǒng)中輸入終端管制區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)/離場(chǎng)航線優(yōu)化起止點(diǎn)，跑道，機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)，限制空域數(shù)據(jù)；
步驟2:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的可視圖模塊中，以高大限制區(qū)頂點(diǎn)為起點(diǎn)，終端管制空域G為邊界，將終端區(qū)空域劃設(shè)為由MAKLINK線構(gòu)成的網(wǎng)格圖；
高大限制區(qū)是指水平范圍為凸多邊形，垂直范圍從地面延伸至高空IOOOOm以上，飛機(jī)無(wú)法在其升限內(nèi)飛越只能選擇繞飛的限制區(qū)、禁區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)；
步驟3:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的獨(dú)立航線優(yōu)化模塊中，實(shí)現(xiàn)滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)立航線，具體步驟如下:
a、在給定進(jìn)/離場(chǎng)航線起止點(diǎn)和高度條件下，利用Dijstra算法在以MAKLINK線中點(diǎn)為解空間搜索一條可行航線慫，構(gòu)建航線初始解，MAKLINK線上點(diǎn)集序列構(gòu)成航線解空間；
b、設(shè)置螞蟻數(shù)量為A迭代次數(shù)為?;
C、將航路點(diǎn)的搜索解空間劃分為水平剖面和垂直剖面兩部分，提出一種先水平后垂直的航路點(diǎn)搜索規(guī)則冰平剖面將MAKLINK線Z//均分，水平離散度為a，離散節(jié)點(diǎn)為J1J2,''',Ia ;以一定的概率Atoz選擇水平方向節(jié)點(diǎn)Λ，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造垂直離散；將梯度萬(wàn)戶/均分，垂直離散度為b,離散節(jié)點(diǎn)為~ e2,…，eb ;按一定概率選擇垂直方向節(jié)點(diǎn)e」為新的航路點(diǎn)/Vl ；
d、提出負(fù)反饋因子^=1勿7更新不滿足約束條件的信息素，Dl表示航線平均長(zhǎng)度；根據(jù)水平剖面航線經(jīng)濟(jì)性與垂直剖面貼近度計(jì)算定量評(píng)價(jià)值，評(píng)估航線滿意程度；提出利用航線超障約束和可飛性約束分段構(gòu)建航線評(píng)價(jià)函數(shù)，描述水平剖面和垂直剖面目標(biāo)函數(shù)可行性；
e、循環(huán)選取較優(yōu)航線且滿足航線評(píng)價(jià)函數(shù)的航線，優(yōu)化出最優(yōu)獨(dú)立航線；
步驟4:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊中，考慮離場(chǎng)航線優(yōu)先、交通流量大航線優(yōu)先原則，以及航線間交叉沖突間隔要求，實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化:
a、在飛行計(jì)劃編制子系統(tǒng)中獲取航線交通流量，首先優(yōu)化離場(chǎng)航線，按照交通流量從大到小依次優(yōu)化，再以此方法優(yōu)化進(jìn)場(chǎng)航線；
b、將已設(shè)計(jì)的離場(chǎng)航線TPdep作為懸空限制區(qū)，構(gòu)造以航段為中心，上下寬300m，長(zhǎng)I Qfl的矩形保護(hù)區(qū)；％、&表示航段的起點(diǎn)和終點(diǎn)；
C、假設(shè)進(jìn)場(chǎng)航線與離場(chǎng)航線/?_在水平面上具有交叉點(diǎn)z，交叉點(diǎn)所在航段為 P P 價(jià)和 q/lj+l，梯度分別為和 ;若 Pi= ixa,ra, ha), gy= {χφ gammaφ hd), xa,ya, ha、χφ gammaφ hd分別表示進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)航線起點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)和相對(duì)高度Φ」、P j+1表示航段的起點(diǎn)和終點(diǎn)?和Jdep分別為航段起點(diǎn)和Clj與交叉點(diǎn)水平距離，則交叉點(diǎn)處航線垂直間隔
dz= I h+dattr~hd+dAe^d | ；
d、若小于保護(hù)區(qū)間隔，該交叉點(diǎn)不符合進(jìn)場(chǎng)下降和起飛離場(chǎng)航空器之間垂直間隔大于300m要求，按照步驟3重新進(jìn)行搜索；依次優(yōu)化出最優(yōu)進(jìn)/離場(chǎng)航線，最終實(shí)現(xiàn)航線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
步驟5:優(yōu)化的進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)在顯示與交互子系統(tǒng)中顯示出來(lái)。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，在統(tǒng)計(jì)空中交通流量的基礎(chǔ)上，能夠快速、有效的生成終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)既滿足水平剖面航線總長(zhǎng)度最短同時(shí)垂直剖面貼近最優(yōu)剖面的目標(biāo)，滿足航段安全越障，繞飛高大限制區(qū)，轉(zhuǎn)彎可飛性，航線間交叉垂直間隔的約束，從而提高航線優(yōu)化效率，同時(shí)兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性等相互沖突的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)離場(chǎng)航線優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1，是終端空域模型與獨(dú)立航線優(yōu)化結(jié)果；
圖2，是2D進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)果；
圖3，是3D進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)果；
圖4，是本發(fā)明的系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0009]圖4中:1、服務(wù)器；2、第一客戶端；3、第二客戶端；4、第三客戶端；5、第四客戶端。
【具體實(shí)施方式】
[0010]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0011]現(xiàn)給出實(shí)現(xiàn)終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化的實(shí)例:
如下建立數(shù)學(xué)模型:
目標(biāo)函數(shù)
(I)水平剖面的經(jīng)濟(jì)性滿意度航線總長(zhǎng)度是影響進(jìn)離場(chǎng)航線水平剖面經(jīng)濟(jì)性的主要因素。假設(shè)航線W有?個(gè)航段，起點(diǎn)he),終點(diǎn)hs),其中，xe, ye, xs, ys分別是起點(diǎn)和終點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，&，久是高度坐標(biāo)。將航線第i個(gè)航段Si= 投影到二維平面，得到對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度式.=|P；Pi+i I ο定義V為航線左投影總長(zhǎng)度，計(jì)算如⑴式:
【權(quán)利要求】
1.基于改進(jìn)蟻群算法的終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助實(shí)現(xiàn)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由客戶端/服務(wù)器(C/S)模式構(gòu)成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括空域?qū)Ш綌?shù)據(jù)庫(kù)、空域建模子系統(tǒng)、飛行計(jì)劃編制子系統(tǒng)和顯示與交互模塊，其特征在于，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還包括運(yùn)行在一個(gè)客戶端的進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)，用作終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)； 所述進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)包括可視圖模塊、獨(dú)立航線優(yōu)化模塊和航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊； 可視圖模塊是根據(jù)終端空域內(nèi)終端管制區(qū)、高大限制空域特征有效地劃分終端空域網(wǎng)格，建立可視圖模型； 獨(dú)立航線優(yōu)化模塊是應(yīng)用Dijstra算法構(gòu)建航線初始解，利用改進(jìn)蟻群算法優(yōu)化出滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)立航線； 航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊是在獨(dú)立航線優(yōu)化模炔基礎(chǔ)上，考慮航線交通流量與交叉航線垂直安全間隔，提出次序優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)終端區(qū)內(nèi)多條航線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)； 所述終端區(qū)進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)三維優(yōu)化方法，包括如下步驟: 步驟1:在空域建模子系統(tǒng)中輸入終端管制區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)/離場(chǎng)航線優(yōu)化起止點(diǎn)，跑道，機(jī)場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)，限制空域數(shù)據(jù)； 步驟2:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的可視圖模塊中，以高大限制區(qū)頂點(diǎn)為起點(diǎn)，終端管制空域G為邊界，將終端區(qū)空域劃設(shè)為由MAKLINK線構(gòu)成的網(wǎng)格圖； 高大限制區(qū)是指水平范圍為凸多邊形，垂直范圍從地面延伸至高空IOOOOm以上，飛機(jī)無(wú)法在其升限內(nèi)飛越只能選擇繞飛的限制區(qū)、禁區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)； 步驟3:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的獨(dú)立航線優(yōu)化模塊中，實(shí)現(xiàn)滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性的獨(dú)立航線，具體步驟如下: 在給定進(jìn)/離場(chǎng)航線起止點(diǎn)和高度條件下，利用Dijstra算法在以MAKLINK線中點(diǎn)為解空間搜索一條可行航線慫，構(gòu)建航線初始解，MAKLINK線上點(diǎn)集序列構(gòu)成航線解空間； 設(shè)置螞蟻數(shù)量為A迭代次數(shù)為t ； 將航路點(diǎn)的搜索解空間劃分為水平剖面和垂直剖面兩部分，提出一種先水平后垂直的航路點(diǎn)搜索規(guī)則；水平剖面將MAKLINK線LiL;均分，水平離散度為a，離散節(jié)點(diǎn)為I1,12,''',Ia ;以一定的概率Atoz選擇水平方向節(jié)點(diǎn)Λ，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造垂直離散；將梯度萬(wàn)戶/均分，垂直離散度為b,離散節(jié)點(diǎn)為~ e2,…，eb ;按一定概率選擇垂直方向節(jié)點(diǎn)e」為新的航路點(diǎn)/Vi ； 提出負(fù)反饋因子^=1勿7更新不滿足約束條件的信息素，Dl表示航線平均長(zhǎng)度；根據(jù)水平剖面航線經(jīng)濟(jì)性與垂直剖面貼近度計(jì)算定量評(píng)價(jià)值，評(píng)估航線滿意程度；提出利用航線超障約束和可飛性約束分段構(gòu)建航線評(píng)價(jià)函數(shù)，描述水平剖面和垂直剖面目標(biāo)函數(shù)可行性； 循環(huán)選取較優(yōu)航線且滿足航線評(píng)價(jià)函數(shù)的航線，優(yōu)化出最優(yōu)獨(dú)立航線； 步驟4:在進(jìn)離場(chǎng)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化子系統(tǒng)的航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模塊中，考慮離場(chǎng)航線優(yōu)先、交通流量大航線優(yōu)先原則，以及航線間交叉沖突間隔要求，實(shí)現(xiàn)進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化: 在飛行計(jì)劃編制子系統(tǒng)中獲取航線交通流量，首先優(yōu)化離場(chǎng)航線，按照交通流量從大到小依次優(yōu)化，再以此方法優(yōu)化進(jìn)場(chǎng)航線； 將已設(shè)計(jì)的離場(chǎng)航線/Pdep作為懸空限制區(qū)，構(gòu)造以航段n.+1為中心，上下寬300m，長(zhǎng)QfiJ+l的矩形保護(hù)區(qū)；％、&表示航段的起點(diǎn)和終點(diǎn)； 假設(shè)進(jìn)場(chǎng)航線與離場(chǎng)航線/?_在水平面上具有交叉點(diǎn)Z，交叉點(diǎn)所在航段為PiPm 和梯度分別為& 和 rd ;若/?,.= (υ3，A3)，Qj= (Xd, ya hd)，xa，ya，ha、χφ φ hd 分別表示進(jìn)場(chǎng)、離場(chǎng)航線起點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)和相對(duì)高度Ψ j、P j+1表示航段的起點(diǎn)和終點(diǎn)；和^dep分別為航段起點(diǎn)凡.和％.與交叉點(diǎn)水平距離，則交叉點(diǎn)處航線垂直間隔dz= I h+dattr~hd+dAe^d | ； 若dz小于保護(hù)區(qū)間隔，該交叉點(diǎn)不符合進(jìn)場(chǎng)下降和起飛離場(chǎng)航空器之間垂直間隔大于300m要求，按照步驟3重新進(jìn)行搜索；依次優(yōu)化出最優(yōu)進(jìn)/離場(chǎng)航線，最終實(shí)現(xiàn)航線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)； 步驟5:優(yōu)化的進(jìn)離場(chǎng)航線三維網(wǎng)絡(luò)在顯示與交互子系統(tǒng)中顯示出來(lái)。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK103473956SQ201310423817
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】王超, 王飛, 劉宏志, 張召悅, 賀超男 申請(qǐng)人:中國(guó)民航大學(xué)